Новости химической науки > Происхождение биоэнергетики клеточных мембран

Впервые опубликовано подкрепленное экспериментальными результатами содержание новой гипотезы, в соответствии с которой эволюционное происхождение необычных биоэнергетических свойств живых клеток начиналось с процесса, в котором участвовали только скальные породы, вода и диоксид углерода.

В рамках появление и эволюции живых систем высказывается предположение о том, что первые протоклетки должны были иметь богатый источник энергии для их метаболизма и репликации. Дело в том, что в тот момент химическая эволюция еще не привела к образованию ферментов, селективно катализирующих ряд специфических биохимических процессов, из-за чего большая часть поступающей в протоклетки энергии могла просто рассеиваться, не используясь.

Возникает вопрос – откуда могла взяться вся эта энергия молодой Земли и как она стала движущей силой органических реакций, необходимых для появления жизни?

Возможные стадии ранней эволюции биоэнергетических процессов. (Рисунок из Cell, 2012; 151 (7): 1406 DOI: 10.1016/j.cell.2012.11.050)

Ник Лейн (Nick Lane) и Билл Мартин (Bill Martin) решили попытаться ответ на вопрос о происхождении этой энергии, а также о том, почему все известные нам живые системы консервируют энергию в особенной форме ионных градиентов в клеточных мембранах. Они предполагают, что ответ на оба вопроса может дать более детальное изучение глубоководных гидротермальных источников энергии – «черных курильщиков».

Ежедневно среднестатистический человек потребляет более килограмма кислорода (около 700 литров), в результате обменных процессов этот кислород превращается в углекислый газ. Простейшие клетки, энергетический обмен которых был основан на реакции водорода с диоксидом углерода, в результате дыхания образуют почти в 40 раз больше (по отношению к эффективной массе) отходов, содержащих соединения углерода. Тем не менее, в обоих случаях энергия, полученная в результате дыхания, запасается в форме ионных градиентов в мембранах клеток.

Эта странная особенность универсальна для всего живого, как и генетический код. Лэйн и Мартин продемонстрировали, что бактерии развивающиеся только за счет энергии реакции водорода с углекислым газом весьма похожи деталями своего пластического и энергетического обменов на отнюдь не равновесные химические процессы, протекающие в некоторых типах щелочных гидротермических источников.

На основании измеренных величин исследователи рассчитали, что природные градиенты концентрации протонов, действующие сквозь полупроводящие железо- и серосодержащие стенки гидротермических источников могли направлять ассимиляцию углерода, способствуя формированию протоклеток в микропористом лабиринте стенок таких источников.

Исследователи продемонстрировали, что возможность таких протоклеток ограничена их собственной проницаемостью, которая в конечном итоге способствует преобразованию градиента концентрации протонов в градиент концентрации ионов натрия без энергетических затрат, просто по механизму обмена Na⁺/H⁺. Исследователи предположили, каким строением должны были бы обладать белки, которые могли бы вызывать такое преобразование градиентов, отчасти объяснив удивительное сходство дыхательных белков, работающих с ионами натрия и гидроксоний-ионами.

Источник: Cell, 2012; 151 (7): 1406 DOI: 10.1016/j.cell.2012.11.050

метки статьи: #биохимия, #молекулярная биология, #химическая эволюция, #химия поверхности